连续式石墨化电炉出料冷却系统的优化设计

摘要

石墨是一种战略资源，它不仅普遍应用于一般工业和消费领域，还广泛用于一些特殊的工业领域。随着现代科技的迅猛发展和新材料、新能源产业的不断推进，具有战略意义的石墨产业正面临难得的发展机遇。
　　然而，天然存在的高纯石墨是没有的，其中往往含有一些金属氧化物等杂质。因此，要想得到高纯度的石墨必须经过一套石墨化装置。纵观当今石墨生产装备，传统的间歇式生产方式产生诸如生产不连续、冷却时间长、产能低、质量波动、电耗高、操作环境恶劣、容易造成石墨氧化等缺点已不能满足能耗较低、环境友好和自动化程度较高的现代生产要求。连续式石墨化炉的出现，为当今石墨生产技术指明了一条崭新的道路。本课题组进行的连续石墨化炉正是在这一背景下不断探索连续石墨化的可能性，验证它的经济技术效果和不断解决出现的技术难关的基础上逐渐发展起来的。
　　在实现石墨化关键技术之后，出料冷却系统的效率成为连续式石墨化炉运行时的很大制约因素。诸如冷却效率过低，以至于冷却效率跟不上石墨化炉的生产率，为了减少出炉高温料的氧化烧损，不得不减少排料量。这就使得单耗增加，能源利用率下降，同时破坏了合理的生产工艺，使炉内平均温度升高，对内衬的薄弱部分造成重大影响。而且过低的冷却效率，会造成石墨出口温度高于400℃，使石墨在空气中发生氧化[C（石墨）+ O2→CO2]，从而降低了石墨的纯度。另外，冷却系统的安全性也是非常重要的，它直接关系到炉子的安全运行。而观察当今工业生产中的常用散料冷却设备，由于换热效率和使用温度的限制，均无法满足该炉型的生产要求。因此，为了提高石墨的生产率和纯度，设计一套结构合理、功能可靠的冷却装置显得尤为重要。
　　考虑到当前冷却器耗水量和体积较大，本论文将通过实验、数值模拟和计算，对当前连续式石墨化电炉的物料冷却系统进行分析并得到较为合理、经济的设计参数后，对冷却器的结构进行了优化。最后得到的新冷却器既达到了生产要求、减轻了炉体承重，又减少了耗水量。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究意义及背景

1．2 国内常见石墨化炉类型

1．2．1 艾奇逊式石墨化炉

1．2．2 串接石墨化炉

1．2．3 电煅烧炉

1．3 新型连续式石墨化炉

1．4 常见高温冷却器类型

1．4．1 立式波面冷却器

1．4．2 立式旋转冷却器

1．4．3 立式套筒冷却器

1．5 论文主要研究内容

第2章 冷却器热工过程分析及实验

2．1 冷却器结构及运行分析

2．2 冷却器传热机理分析

2．2．1 颗粒之间的换热分析

2．2 外壁面换热系数分析

2．2．1 接触热阻的传热分析

2．2．2 外壁面总给热系数的计算推导

第3章 冷却器数值模拟及分析

3．1 计算流体力学简介

3．2 问题描述

3．2．1 换热模型

3．2．2 冷却水流动模型

3．3．建立控制方程及边界条件

3．4 冷却水流场的分析

3．4．1 不开孔时的流场分析

3．4．2 开孔后的流场分析

3．5 换热模拟分析

3．5．1 单根管换热分析

3．5．2 七根管之间的换热分析

第4章 冷却器优化设计

4．1 冷却器热工计算

4．1．1 第一级热工计算

4．1．2 第二级热工计算

4．1．3 第三级热工计算

4．2 冷却水管进出口连接管径的选择

4．3 冷却水流动阻力的计算

4．4 冷却器结构设计

4．5 优化结果的模拟验证

第5章 结论与展望

参考文献

致谢